Micrographies électroniques à balayage de films de copolymères à blocs assemblés sur des motifs chimiques graphène/germanium avec des coudes à 90 degrés (côté gauche) et avec une densité multipliée par un facteur 10 (côté droit). Les lignes pointillées noires (côté droit) indiquent la période du schéma chimique graphène/germanium, dans lequel la période du copolymère séquencé assemblé est réduite d'un facteur 10 en raison de la multiplication de densité. Les barres d'échelle sont à 200 nm. Crédit :Université du Wisconsin-Madison
Les fabricants de puces informatiques s'efforcent continuellement d'emballer plus de transistors dans moins d'espace, pourtant, comme la taille de ces transistors approche de l'échelle atomique, il y a des limites physiques sur la taille qu'ils sont capables de faire les modèles pour les circuits.
Maintenant, tirant parti d'une plaquette de germanium recouverte d'une couche de graphène pratiquement vierge - une feuille de carbone disposée sur un seul atome d'épaisseur - une équipe d'ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison et de l'Université de Chicago a conçu un plus simple, approche de fabrication reproductible et moins coûteuse utilisant l'auto-assemblage dirigé.
L'auto-assemblage dirigé est une opération à grande échelle, technique de nano-motif qui peut augmenter la densité des motifs de circuits et contourner certaines limitations des procédés lithographiques conventionnels pour l'impression de circuits sur des plaquettes de semi-conducteurs tels que le silicium.
L'ingénieur électricien Zhenqiang "Jack" Ma et l'ingénieur des matériaux Michael Arnold de l'UW-Madison, ingénieur chimiste Paul Nealey de l'Université de Chicago, et leurs étudiants ont publié les détails de l'avancée dans l'édition du 16 août du journal Rapports scientifiques .
Leur travail pourrait signifier une augmentation des fonctionnalités de l'électronique des semi-conducteurs et de la capacité de stockage de données.
Pour atteindre la taille incroyablement petite requise pour les circuits dans l'électronique future des semi-conducteurs, les fabricants développent l'auto-assemblage dirigé, qui permet la fabrication de complexes, motifs polymères parfaitement ordonnés pour les circuits.
Pour l'auto-assemblage dirigé, les chercheurs utilisent des techniques chimiques conventionnelles pour définir un pré-modèle. Lorsque des chaînes de molécules appelées copolymères à blocs s'auto-assemblent sur le pré-motif, ils suivent le modèle pour former des caractéristiques bien ordonnées.
La nouvelle méthode des chercheurs est beaucoup plus rapide, et réduit le nombre d'étapes du processus à seulement deux :la lithographie et la gravure au plasma.
Des motifs chimiques constitués d'une alternance de rayures de graphène et de germanium (côté gauche) sont utilisés pour diriger l'auto-assemblage de copolymères séquencés en motifs bien ordonnés (côté droit). Les images du haut sont des schémas et les images du bas sont des micrographies électroniques à balayage. Les barres d'échelle sont à 200 nm. Crédit :Université du Wisconsin-Madison
Dans la première démonstration de leur technique, les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d'électrons et une technique de gravure au plasma douce pour modeler des bandes de graphène d'un atome d'épaisseur sur une plaquette de germanium. Ensuite, ils ont enduit par centrifugation la plaquette avec un copolymère séquencé commun appelé polystyrène-bloc-poly(méthacrylate de méthyle).
Lorsqu'il est chauffé, le copolymère séquencé s'est entièrement auto-assemblé en seulement 10 minutes, contre 30 minutes avec des modèles chimiques conventionnels, et avec moins de défauts. Les chercheurs attribuent cet assemblage rapide à la douceur, rigide, surfaces cristallines du germanium et du graphène.
Leur nouvelle méthode tire parti d'un phénomène appelé multiplication de densité. Les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour créer d'abord un modèle principal plus grand avec des motifs clairsemés qui guident l'orientation de leurs copolymères séquencés.
Quand ils ont dirigé le copolymère séquencé à s'auto-assembler, il l'a fait d'une manière qui a amélioré la résolution du modèle d'origine - dans ce cas, par un facteur de 10. La meilleure amélioration précédente par multiplication de densité était un facteur de quatre.
Alors que le motif à rayures était une simple démonstration de leur technique, les chercheurs ont également montré qu'il fonctionnait avec des motifs architecturaux plus complexes ou irréguliers, y compris ceux avec des virages abrupts à 90 degrés.
"Ces modèles offrent une alternative intéressante aux modèles chimiques traditionnels composés de tapis et de brosses en polymère, car ils offrent une cinétique d'assemblage plus rapide et élargissent la fenêtre de traitement, tout en offrant un inerte, robuste mécaniquement et chimiquement, et modèle uniforme avec des interfaces matérielles bien définies et nettes, " dit Nealey.
La technique leur permet de combiner l'uniformité et la simplicité de traitement des méthodes lithographiques traditionnelles « top-down » avec les avantages d'un assemblage « bottom-up » et d'une plus grande multiplication de densité, et offre une voie prometteuse pour la production à grande échelle à un coût considérablement réduit.
"L'utilisation de ce modèle de graphène d'un atome d'épaisseur n'a jamais été fait auparavant. C'est un nouveau modèle pour guider l'auto-assemblage des polymères, " dit Ma. "Ceci est compatible avec la production de masse. Nous avons ouvert la porte à des fonctionnalités encore plus petites."
